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求解复指数方程$e^z = a$的相关疑问

求解复指数方程$e^z = a$的相关疑问

嘿,我来帮你理清这个问题~

首先先解决你卡住的**$a=0$**的情况:
你已经推导到,当$a=0+0i$时,需要满足$e^x \cos y = 0$且$e^x \sin y = 0$。这里要注意两个关键点:

  • $e^x$对于任意实数$x$都是正实数,永远不可能等于0;
  • 对于任意实数$y$,都有$\cos^2 y + \sin^2 y = 1$,所以$\cos y$和$\sin y$不可能同时为0。

这就意味着,当$a=0$时,方程$e^z = a$没有解

接下来我们完整梳理所有$a \in \mathbb{C}$的情况:

情况1:$a=0$

如上述分析,方程无解。

情况2:$a \neq 0$

我们可以把复数$a$写成极坐标形式:$a = |a| e^{i\theta}$,其中$|a|$是$a$的模(正实数),$\theta$是$a$的辐角($\theta = \arg(a) + 2k\pi$,$k \in \mathbb{Z}$,$\arg(a)$是$a$的主辐角,通常取$(-\pi, \pi]$)。

设$z = x + iy$($x,y \in \mathbb{R}$),则$e^z = e^{x+iy} = e^x (\cos y + i\sin y) = e^x e^{iy}$。

根据复数相等的条件(模相等,辐角相差$2\pi$的整数倍):

  • 模相等:$e^x = |a|$,两边取实对数得$x = \ln|a|$(因为$|a|>0$,实对数有定义);
  • 辐角匹配:$y = \theta + 2k\pi = \arg(a) + 2k\pi$,其中$k$是任意整数。

所以当$a \neq 0$时,方程的所有解为:
$$z = \ln|a| + i\left(\arg(a) + 2k\pi\right), \quad k \in \mathbb{Z}$$

换一种方式衔接你之前的推导:如果把$a$写成$a = \text{Re}(a) + i\text{Im}(a)$,那么从$e^x \cos y = \text{Re}(a)$和$e^x \sin y = \text{Im}(a)$,将两式平方相加可得$e{2x}(\cos2 y + \sin^2 y) = |a|2$,即$e{2x} = |a|2$,所以$ex = |a|$($e^x>0$),进而$x = \ln|a|$。再代入原方程就能得到$\cos y = \frac{\text{Re}(a)}{|a|}$,$\sin y = \frac{\text{Im}(a)}{|a|}$,这说明$y$就是$a$的辐角,且可以加上任意$2\pi$的整数倍,和极坐标方法的结论一致。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Jimmy B

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